分子生態(tài)學的原理和方法

1、分子生態(tài)學的原理和方法1分子生態(tài)學使生態(tài)學的實驗研究進入分子水平生物與環(huán)境之間的相互經(jīng)，是地球上的生命出現(xiàn)以來就普遍存在的一種自然現(xiàn)象。但生態(tài)學自1866年誕生以來，人類對其規(guī)律性的認識則經(jīng)歷了一個由淺入深，由片面到全面的較長歷史過程。表現(xiàn)在方法上，從逐漸擺脫直接觀察的“猜測思辨法”，到野外定性描述的“經(jīng)驗歸納法”，再到野外定位定量測試與室內(nèi)實驗相結(jié)合的“系統(tǒng)綜合法”。上述方法雖然有力地推動生態(tài)學取得了長足發(fā)展，但其研究視野仍局限在宏觀水平上，因而表現(xiàn)出外貌或形態(tài)相同的生命有機體，由于所處的環(huán)境條件不同，其生理功能也不相同；親代外貌、形態(tài)和生理功能相同的生命有機體，子代卻由于所處的環(huán)境條件不同

2、而產(chǎn)生新的變異，因此，宏觀生態(tài)現(xiàn)象的多樣性需要用微觀的室內(nèi)實驗分析來揭示其生態(tài)本質(zhì)的一致性也就成為生態(tài)學宏觀與微觀相結(jié)合發(fā)展的必然趨勢。分子生物學原理和技術(shù)應用于生態(tài)學研究而形成的生態(tài)學新的分支科學分子生態(tài)學，使生態(tài)學的實驗研究一躍進入分子水平。分子生態(tài)學的興趣，首先建立在組成生命有機體的基本物質(zhì)核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子以及環(huán)境對這些基本物質(zhì)的影響上。生命有機體遺傳信息的攜帶者是核酸。遺傳信息通過DNA分子半保留復制而代代相傳。遺傳信息由DNA到RAN再到多肽鏈合成蛋白質(zhì)的過程稱之為中心法則。合成的蛋白質(zhì)作為一切生命活動的承擔者，實現(xiàn)了生命有機體新陳代謝，生長發(fā)育以及對外界環(huán)境變化的反應，并調(diào)

3、控著信息的傳遞和表達。雖然糖類不像核酸直接參與生命現(xiàn)象的延續(xù)，也不像蛋白質(zhì)那樣直接承擔生命活動的體現(xiàn)，但它與分子之間的相互識別有密切的關(guān)系，因而在生命有機體信息傳遞中發(fā)揮著重要作用（鄒承魯，1996）。攜帶蛋白質(zhì)所需信息的DNA片段稱為基因（gene），它是DNA上決定生命有機體外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位，按功能分為可被轉(zhuǎn)錄形成mDNA，進而轉(zhuǎn)譯成多肽，構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白和催化各種生化反應的酶和激素等的結(jié)構(gòu)基因以及可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達的基因的調(diào)節(jié)基因。基因由丹麥遺傳學家Johansen W于1909年提出以稱謂“孟德爾因子”或孟德爾自己使用的“性狀單位（Character unit

4、）”或“單位因子（Unit factor）”，而現(xiàn)代定義則為“遺傳信息的結(jié)構(gòu)和功能單位”。每個DNA分子含有很多因基因，基因的復制過程就是4種堿基按A配T，G配C的互補配對原則進行。因DNA分子是由兩條多核苷酸組成雙螺旋結(jié)構(gòu)，故復制時，DNA在酶的催化作用下，原來的兩條鏈先解旋成單鏈，然后各條鏈以自己為模板，配成相應的新鏈。這樣，1個母DNA分子便復制成兩個完全相像的分子，它說明了為什么子代和親代想像的道理，即遺傳的實質(zhì)是堿基序列的復制過程。基因最重要的特征是其從親代到子代相似的復制能力，以保證生命有機體遺傳的穩(wěn)定性。然而，如果遺傳信息始終不變，就不可能有新的生命有機體類型的產(chǎn)生。事實上，地球

5、上生物多樣性的存在已充分證明了遺傳信息攜帶者的基因具有變化的特征，即基因突變（Mutation）。所有發(fā)生在基因的DNA序列中是由堿基替代（Base substitution）、堿基插入（Base insertion）和堿基缺失（Base deletion）等改變引起的，可以通過復制而遺傳的任何持續(xù)性改變改變都叫基因突變，它可發(fā)生在生殖細胞，也可發(fā)生在體細胞。其中，堿基數(shù)量的變化是基因突變的一個重要原因。因為在不同的生命有機體類型之間，堿基的數(shù)量是不同的，DNA以其加倍的4個符號，可以編譯成的MM藍本是無限的，說明基因突變是無限的。其次，堿基的內(nèi)容不同，也會導致基因突變，如ACA和UCA，雖只

6、一個堿基之差，但含義是不同的。另外，堿基排列次序的變化，也是導致基因突變的一個，如UCA和CUA，CGG和GGC，他們的堿基完全相同，只是排列次序不同，因而其含義也不同。基因是遺傳信息的攜帶者，而生命活動的執(zhí)行者卻是蛋白質(zhì)，即基因表達的產(chǎn)物。然而，生命有機體中的基因并非同時全部表達，其表達程度也各不相同。只有按一定的表達模式表達的基因，才能使遺傳信息與生命活動之間建立直接的聯(lián)系。因此，真正執(zhí)行生命活動的蛋白質(zhì)是在基因調(diào)控下不斷變化的（王志珍，鄒承魯，2000）。此外，蛋白質(zhì)分子，除有以氨基酸組成的并有一定順序的肽鏈結(jié)構(gòu)外，還具有肽鏈在空間的卷曲折疊而形成的三維空間結(jié)構(gòu)，也只有處在這種特定的三維

7、結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)分子，才能真正發(fā)揮生物功能。因此，即使肽鏈的氨基酸序列不變，只要空間結(jié)構(gòu)被破壞，就會導致蛋白質(zhì)功能的喪失。分子生物學在其迅速發(fā)展中起來越深刻地認識到基因與環(huán)境的相互作用是產(chǎn)生基因突變和基因多態(tài)的源泉。因此，分子生物學對分子生態(tài)學最本質(zhì)的貢獻是闡明了外界環(huán)境對以中心法則為基礎(chǔ)的基因突變，基因表達和蛋白質(zhì)活性施以深刻的影響，因此生命有機體隨著外界環(huán)境和內(nèi)部生理狀態(tài)的不同而表現(xiàn)出不同的基因突變、基因表達和蛋白質(zhì)活性差異，且這種差異存在著嚴格的時空特異性。依據(jù)這一分子生物學原理，我們即可在分子水平上研究和揭示生命有機體和環(huán)境之間相互作用的分子基礎(chǔ)和分子機理。既然分子生物學規(guī)范意義上的分子

8、水平是核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子，分子生態(tài)學規(guī)范意義上的分子水平也應該是核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子。因此，無機分子，有機分子，除核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子以外的生物分子或生物活性分子，都不是分子生態(tài)學規(guī)范意義上的分子水平。就其環(huán)境而言，從微觀的核內(nèi)超微環(huán)境，到中觀的體內(nèi)環(huán)境，再到宏觀的體外環(huán)境，直至到宇觀的全球環(huán)境，都對基因突變、基因表達和蛋白質(zhì)活性施以深刻的影響，但限于目前的實驗手段有對宏觀的體外環(huán)境參數(shù)進行精確的定量測試，因此除膜電位以外，中觀和微觀環(huán)境因子對基因突變、基因表達和蛋白質(zhì)活性影響的精確定量測試目前尚在努力的探索之中。2分子生態(tài)學的主流任務(wù)是在分子水平上研究種群與環(huán)境的相互作用生態(tài)學

9、研究的生物有機體是一個層次復雜的生命系統(tǒng)，個體物種在宏觀水平上能夠體現(xiàn)出生命有機體新陳代謝、自我繁殖、自我調(diào)節(jié)，變異進化等生命的基本特征，但不能表征由于所處環(huán)境的異質(zhì)性而導致的不同環(huán)境中同種個體在新陳代謝、自我繁殖、自我調(diào)節(jié)、變異進化等方面的差異。事實上，任何一個個體物種都不是以單一個體的形式存在于自然環(huán)境中，而是以群體物種的形式有存在于自然環(huán)境中。生態(tài)學上將同種生物在特定空間的個體集群稱為種群，它既有數(shù)量特征和空間特征，又有遺傳特征，即有一定的遺傳組成，世代傳遞基因頻率，通過改變基因頻率來適應環(huán)境的不斷變化，它是生態(tài)層次的基本結(jié)構(gòu)單位，也是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能單位。從分子生物學的角度上看，種群

10、是指能自由交配和繁殖的一群同種個體，它在一定的時間內(nèi)擁有全部基因的總和稱為該種群的基因庫（Gene pool），而攜帶的全部遺傳信息的總和又稱為該種群的基因組（Genome）。結(jié)合生態(tài)學和分子生物學對種群的定義和理解，分子生態(tài)學也將在分子水平上，從結(jié)構(gòu)研究（分子基礎(chǔ)和功能研究）和分子機制兩方面來研究種群與環(huán)境的相互作用，并將其作為該學科的主流任務(wù)。21種群基因型與表現(xiàn)型的分子基礎(chǔ)在分子水平上研究種群與環(huán)境之間的相互作用，首先要研究種群的基因與環(huán)境的相互作用。種群內(nèi)個體基因組成叫做基因型（Genotype），由相同的顯性基因或相同的隱性基因組成的基因型叫做純合體（Homozygote）；有一個顯

11、性基因和一個相對的隱性基因組成的基因型叫做雜合體（Heterozygosity）。種群內(nèi)個體的基因型通過與內(nèi)、外環(huán)境相互作用，使其基因控制種群新陳代謝中的一系列生化反應影響種群的發(fā)育，從而決定種群的形態(tài)特征和生理功能等形狀的形成，產(chǎn)生表現(xiàn)型（Phenotype）。因此，表現(xiàn)型是基因型與內(nèi)、外環(huán)境相互作用的結(jié)果，基因型是決定表現(xiàn)型的遺傳基礎(chǔ)。由于DNA轉(zhuǎn)錄及RNA的翻譯過程中存在著DNA與RNA間以及RNA與氨基酸序列間的對應關(guān)系，而功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)卻不一定由其氨基酸序列決定。基于這種特性，可以認為，表現(xiàn)型的基因表達始于蛋白質(zhì)的形成。然而，DNA中只有部分被轉(zhuǎn)錄成RNA，形成的RNA中也只有部分

12、被加工成mRNA并翻譯成蛋白質(zhì)，其余RNA則被降解或形成功能產(chǎn)物如rRNA、tRNA。因此，DNA、RNA及蛋白質(zhì)之間的對應關(guān)系也有一定差異，而且這種差異隨種群內(nèi)個體的不同有所不同。雖然RNA是由DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的，但二者之間質(zhì)和量的表達均有差異，因而導致了種群內(nèi)個體表現(xiàn)型的差異，這說明表現(xiàn)型的差異受基因型的影響，是基因與環(huán)境之間相互作用的結(jié)果（五亞馥，戴灼華，2002）。一般說來，環(huán)境因素所誘導的表現(xiàn)型類似于基因突變所產(chǎn)生的表現(xiàn)型，這種現(xiàn)象稱為擬表型（Phenocopy），一定基因型的個體在特定的環(huán)境中形成的預期表現(xiàn)型比率稱為外顯率（Penetrance），而雜合體在不同的遺傳背景或環(huán)境因素影

13、響下個體間基因的表達程度則為表現(xiàn)度（Expressivety）。22種群遺傳結(jié)構(gòu)的分子基礎(chǔ)在分子水平上研究種群與環(huán)境之間的相互作用，還要研究種群的遺傳結(jié)構(gòu)，即種群中各種基因的頻率以及由不同的交配體制所帶來各種基因型在數(shù)量上的分布。種群遺傳結(jié)構(gòu)的一個最基本的測試就是基因頻率（Gene/Alleles frequency），它是種群內(nèi)某一等位基因占該位點上等位基因總數(shù)的比率，而基因型頻率（Genotype frequency）則表示種群內(nèi)不同基因型所點的比例?；蝾l率和基因型頻率是種群遺傳結(jié)構(gòu)的基本標志。自然種群的遺傳結(jié)構(gòu)分析表明，種群內(nèi)大多數(shù)基因位點上存在一系列的等位基因，它們以不同的頻率存在于

14、種群中。所以，種群內(nèi)大多數(shù)個體在多數(shù)位點上是不同等位基因的雜合體，這種雜合性是種群遺傳結(jié)構(gòu)的基本屬性之一，它在同一個體中表現(xiàn)為等位基因的異質(zhì)結(jié)合，在個體之間表現(xiàn)為等位基因之間的差異。因此，種群的雜合性可以保證種群的多樣性（沈銀柱，2002）。假設(shè)在沒有自然選擇、沒有遷移（Migration）、沒有突變的理想條件下，一個足夠大的種群在個體間進行隨機交配的過程中，從一代到另一代，沒有基因頻率和基因型頻率的變化，這就是著名的Hardy-Weinberg基因平衡定律。這一定律指出，在研究種群的遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前，種群的遺傳本身并不發(fā)生變化。然而，在自然種群中，這種理想的條件實際上是不存在的，自然選擇

15、、遷移和基因突變均在有性繁殖過程中對種群的遺傳結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響，因而導致基因頻率和基因型頻率發(fā)生變化，并將這種變化傳遞到未來的世代中去。例如，基因突變本身就是影響種群基因頻率的一種力量，同時也會自然選擇提供了原始材料，如果突變從一個純合體開始，那么，突變壓則要增加遺傳變異直到有兩個相對的突變率所決定的每個基因的平衡值出現(xiàn)為止；再如：自然選擇的過程是與種群對環(huán)境的適應相關(guān)的，因為具有與環(huán)境適應較好的表現(xiàn)型的種群在競爭中有更多的生存機會，從而留下較多的后代。在種群中，一個已知基因型的個體，把它們的基因傳遞到其后代基因庫中去的相對能力就是該基因型個體的適合度（Fitness），也叫適應值（Adapt

16、ive value），表示一種基因型的個體在某種環(huán)境下相對的繁殖效率或生殖有效性。相反，在自然選擇作用下某一種群降低了適合度，因而不利于某一基因型在該種群中生存的程度叫選擇系統(tǒng)（Selective coefficient），也叫選擇壓（Selection pressure）；又如：在自然條件下，基因突變和自然選擇往往會在一個種群中同時起作用，若這兩種作用相同，該種群改變供其基因頻率的速度加快，若這兩種作用不同而相互抵消，該種群的遺傳結(jié)構(gòu)將處于穩(wěn)定的平衡；還如：遷移，也叫基因流動/漂移（Gene flow），是遷移種群在遷入地參與土著種群的交配繁殖而導致基因在這兩個小種群間的流動，進一步引起遷入

17、地種群基因頻率的變化；最后，如果某一種群規(guī)模很小，對其隨機取樣時產(chǎn)生的誤差可造成該種群基因頻率的隨機波動，稱為隨機的遺傳漂變（Random genetic drift），它可能固定一個不利于該種群的等位基因，也可能淘汰一個對該種群有利的等位基因。23種群遺傳多態(tài)性的分子基礎(chǔ)存在于任意種群內(nèi)的遺傳變異可以在不同層次上表現(xiàn)出遺傳多態(tài)性及分子多態(tài)性。首先，如果DNA序列中某特定位點的變異頻率低于1%稱為基因突變，高于1%稱為DNA序列多態(tài)性，包括微衛(wèi)星DNA的多態(tài)性，它源于其核心序列的重復次數(shù)不同，重復次數(shù)越多，提供的信息量越高，是一種多等位基因形式的多態(tài)性；單核苷酸多態(tài)性（SNP），是指由單個核苷

18、酸替代、插入或缺失而形成的分子多態(tài)性，有時也包括由多個核苷酸插入或缺失造成的點，是一咱雙等位基因形式的多態(tài)性；ALUL序列多態(tài)性，是一種短的重復序列。其次，在結(jié)構(gòu)基因編碼的多肽層次上，如果以結(jié)構(gòu)基因上有一個非冗余MM子，如由GGU到GAU，那么多肽在翻譯時就將有一個氨基酸被替換，因而表現(xiàn)出蛋白質(zhì)多態(tài)性。另外，一個基因若在一個種群內(nèi)有多于一種形式，它就是基因多態(tài)性，以種群中多態(tài)基因的比例來表示基因多態(tài)性的大小。24種群生態(tài)適應與生態(tài)進化的分子機制生態(tài)適應（Ecological adaptation）和生態(tài)進化（Ecological evolution）是生態(tài)學中的普遍生態(tài)現(xiàn)象和基本生態(tài)過程，是生

19、態(tài)學研究的核心內(nèi)容。生態(tài)適應與生態(tài)進化的實質(zhì)是生物與環(huán)境之間的信息交換，即生物與環(huán)境之間產(chǎn)生的信息傳遞在生物的結(jié)構(gòu)和功能方面表現(xiàn)出以自我調(diào)節(jié)為特征的生態(tài)適應，其產(chǎn)生的信息積累則表現(xiàn)在生物的結(jié)構(gòu)和功能方面出現(xiàn)以始祖基因通過加倍與大規(guī)模的遺傳擴展，而使其有序度和組織程度提高為特點的生態(tài)進化。生態(tài)適應和生態(tài)進化表現(xiàn)在生物微觀和宏觀的各個層次上，但基本的結(jié)構(gòu)和功能單位是種群，基本的原因是種群所攜帶的遺傳信息在環(huán)境的影響下所發(fā)生的逐代改變。因此，種群在外部形態(tài)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的復雜性和多樣性的增長或生理功能上表現(xiàn)出的強化、擴大和更替等生態(tài)適應和生態(tài)進化特征，在生物大分子水平上均具有內(nèi)在的分子機制。從分子生態(tài)學

20、的角度來看，種群基因組里包含的遺傳信息不是固定不變的，實際上基因組總是處在一種動態(tài)的穩(wěn)定狀況中。首先，外界環(huán)境因素（宇宙射線、紫外線等）均能使基因組產(chǎn)生新的變異，導致基因組中的基因突變；其次生命有機體所處環(huán)境中的遺傳物質(zhì)可以通過各種方式進入基因組；第三，基因組中相當大部分的基因是由重復序列構(gòu)成的，大量重復序列的存在，可彌補由于基因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而引起的基因丟失。這表明基因組具有很大的可塑性。在基因組內(nèi)，攜帶遺傳信息的不僅有結(jié)構(gòu)基因，還有操縱基因和調(diào)節(jié)基因。結(jié)構(gòu)基因是具有儲存遺傳信息MM功能的基因，調(diào)節(jié)基因可能調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的作用和功能，而操縱基因既控制結(jié)構(gòu)基因合成信息RNA（mRNA），又受調(diào)節(jié)基因

21、產(chǎn)生的阻遏蛋白控制。當阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因就不能發(fā)生作用。但是，在外界環(huán)境或其它物質(zhì)與阻遏蛋白相作用時，即推動對操縱基因的抑制作用，于是操縱基因乃與結(jié)構(gòu)基因結(jié)合，就恢復了結(jié)構(gòu)基因的作用，重新合成蛋白質(zhì)。此外，在基因組內(nèi)，編碼各類結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)蛋白基因多數(shù)為組成型表達類型，由環(huán)境誘導而特異表達的基因為優(yōu)勢表達類型。其中，環(huán)境誘導基因是種群由于內(nèi)、外環(huán)境的變化，以及外部各種脅迫而誘導表達的一類基因。對于植物種群而言，雖然外界環(huán)境為植物種群提供了必備的生存條件，但植物種群還必須存在一套防御機制適應環(huán)境不利因素的出現(xiàn)。在這個過程中，環(huán)境誘導基因的表達起著關(guān)鍵的作用。用于環(huán)境誘導基因的誘導

22、因子主要包括激素、溫度、病原、水、光等。這說明，種群基因組并非表達所有的基因，被表達的基因類型即表達程度隨種群所處的環(huán)境和生理狀態(tài)的不同而表現(xiàn)出極大的差異，且這種差異存在著嚴格調(diào)控的時空特異性，這使人們越來越認識到基因組與環(huán)境間的相互作用無時無刻不存在，基因突變和多態(tài)性的產(chǎn)生又總是與環(huán)境的影響分不開。由此看來，在種群生態(tài)進化分子機制的研究中，從整體上研究基因組，著眼于種群整個基因組的所有基因，分析整個基因組的堿基序列，整體闡明包括中性突變和環(huán)境誘導在內(nèi)的生態(tài)進行基因表達譜，即可深入探索生態(tài)進化中的“多重調(diào)控”和“調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”的分子機制。從分子生態(tài)學的角度來看，種群蛋白質(zhì)組中的蛋白質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)蛋白

23、和調(diào)節(jié)蛋白兩大類。與基因組中存在大量重復基因而導致信息冗余一樣，蛋白質(zhì)組也存在著大量的信息冗余，同樣具有重復多拷貝性和容量可調(diào)節(jié)性的特點。當種群受到外界某種不良的環(huán)境因素影響而遭受損失時，蛋白質(zhì)組內(nèi)丟掉一個或幾個拷貝，種群仍可通過剩余的拷貝完成其生命史和物種延續(xù)。當外界環(huán)境條件超常優(yōu)越有利于種群的生長發(fā)育時，信息冗余的量增大，使得蛋白質(zhì)組的集團效應在一定條件下予以強化，在種群遭受外界某種不良環(huán)境因子作用時保持穩(wěn)定而不受影響（李躍強，盛承發(fā)，1997）。需要強調(diào)的是，酶在生理活動中起著重要作用，通過調(diào)節(jié)，其化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。目前，在生態(tài)適應的分子水平的研究中，“生態(tài)酶”的概念和功能也令人矚目；“

24、適應酶”具有更多的多態(tài)型，這種多態(tài)型無疑與外表形態(tài)、性狀和生理特性密切相關(guān)；同時，新的環(huán)境條件下也能夠誘導出大量不同的“調(diào)節(jié)性酶”。近年的研究還發(fā)展，許多蛋白由多個從結(jié)構(gòu)到功能都具有相對獨立的片段，稱為功能域，它可介導蛋白與蛋白質(zhì)間產(chǎn)生相互作用，因而大大加速了人們對蛋白質(zhì)功能和生態(tài)過程的分子機制的認識。此外，蛋白質(zhì)作為啟動因子可能在環(huán)境改變時激活某些基因的表達，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)即環(huán)境誘導蛋白來調(diào)節(jié)生命系統(tǒng)的生理代謝活動，從而進行生態(tài)適應。因蛋白質(zhì)是基因的產(chǎn)物，故基因組有多樣性，蛋白質(zhì)組就有多態(tài)性，蛋白質(zhì)組對環(huán)境的生態(tài)應用就有多效性。25生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的整合作用與種群與環(huán)境相互作用的機制

25、蛋白質(zhì)與核酸等生物大分子是生命的主要體現(xiàn)者，但不是生命本身。核酸和蛋白質(zhì)是相互依存和彼此制約的，沒有核酸就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，核酸是沒有功能的。生命的本質(zhì)是這些生物大分子之間，以及它們與環(huán)境之間復雜而有序的相互聯(lián)系和相互作用。目前，人們關(guān)于蛋白質(zhì)和核酸整合作用的知識仍是相當有限的，而這些發(fā)生在各種水平上的DNA復制和表達及其諸多調(diào)節(jié)過程在生命活動中極其重要。只有透徹分析核酸和蛋白質(zhì)的整合作用，才能深入探討種群與環(huán)境之間相互作用的分子機制。1970年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)DNA和RNA間存在逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，而且這一現(xiàn)象不斷在真核生物中被發(fā)現(xiàn)，因而中心法則被修改。現(xiàn)在越來越多的證據(jù)表明

26、這種逆轉(zhuǎn)錄機制廣布于正常細胞的代謝之中。例如：斷裂基因（內(nèi)含子、外顯子）、假基因（加工基因）、重疊基因、重復基因（重復序列）等基因現(xiàn)象，進一步證明了蛋白質(zhì)和核酸之間的整合作用及其與環(huán)境之間的相互作用。在一定的環(huán)境（包括生長發(fā)育、生理需要等內(nèi)部環(huán)境和外界一切環(huán)境）條件下，種群某一遺傳效應的DNA片段（遺傳信息的貯存庫）得到表達，產(chǎn)生這一遺傳效應的RNA（遺傳信息的施工圖），RNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生相應的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)及其表現(xiàn)出的生理作用、生化功能、形態(tài)結(jié)構(gòu)等應用環(huán)境條件。在環(huán)境條件仍然滿足其種群遺傳效應的表達時，就會通過影響蛋白質(zhì)，進一步對RNA進行調(diào)控，使其DNA片段得以充分表達，產(chǎn)生大量的這一遺傳

27、效應的RNA，在高濃度的RNA條件下，逆轉(zhuǎn)錄成cDNA的可能性增大，形成的cDNA通過插入、整合，從而形成這一遺傳效應的DNA重復序列，從而更加強了這一遺傳效應。種群所處的環(huán)境是不斷變化的（包括自身內(nèi)部環(huán)境），其變化的影響是由淺入深的，可以表現(xiàn)為形態(tài)的、生理的、生化的、轉(zhuǎn)錄與復制的。環(huán)境影響時間短、強度小，則可能表現(xiàn)為遺傳進化。長期促進RNA轉(zhuǎn)錄，是在環(huán)境條件有利的情況下，它形成RNA的調(diào)頻表達的這段DNA，再表達且穩(wěn)定遺傳時即為進化。長期抑制RNA轉(zhuǎn)錄，是在不利的環(huán)境條件下，性狀表達的該DNA鏈區(qū)長期得不到利用或轉(zhuǎn)錄，從而易被封閉或丟失，形成痕跡性狀或完全消失，即為退化?；蛑亟M、染色體加倍

28、等變化，也無不遵守這一規(guī)律。種群隨著環(huán)境環(huán)境逐漸地變化而不斷改變自己，使自己不斷適應逐漸改變的環(huán)境。26分子生態(tài)學的深入發(fā)展依賴分子標記和檢測技術(shù)的重大突破客觀地說，分子生態(tài)學還是一門十分年輕的學科，它沒有公認的學科創(chuàng)始人和標識性的學術(shù)論著，其發(fā)展主要通過跟蹤精確的分子標記技術(shù)和分子檢測技術(shù)來準確地鑒別生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的差異，借此來揭示生物與環(huán)境相互作用的分子機制，這是分子生物學最顯著的學科特征。分子生態(tài)學研究始終依賴和跟蹤分子標記技術(shù)和分子檢測技術(shù)。分子標記技術(shù)包括限制性片斷長度多態(tài)（Restriction fragment length polymorphism, RFLP）、單核苷酸

29、多態(tài)（Single nucleotide polymorphisms, SNP）、擴增片段長度多態(tài)性（Amplified fragment length polymorphism, AFLP）、隨機擴增DNA多態(tài)性（Random amplified polymorphism DNA, RAPD）、可變的串連重復多態(tài)（Variable number of tandem repeats polymorphism, VNTRP）和PCR技術(shù)；分子檢測技術(shù)包括DNA（或RNA）序列分析、片段分析（長度分析），單鏈構(gòu)象多態(tài)性（Single strand conformation polymorphism

30、, SSCP）、變性梯度（Denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE），溫度梯度凝膠電泳（Temperature gradient gel electrophoresis, TGGE）、變性高效液相色譜（Denaturing high performance liquid chromatography, DHPLC）。Weber（1989）通過PCR擴增和直接的序列測定發(fā)現(xiàn)了一類特殊的VNTR，其串連重復的核心單元僅由2個堿基組成，稱為微衛(wèi)星（Microsatellites），它與等位酶和RFLP一樣是很好的共顯性標記物。隨著基因組測序計劃的開展

31、以及更多的蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)的測定，微衛(wèi)星可以揭示出更高水平的多態(tài)性。分子生態(tài)學的結(jié)構(gòu)和功能研究可能基于核酸技術(shù)，也可以有基于蛋白質(zhì)技術(shù)，即直接研究基因的表達產(chǎn)物。基于核酸的技術(shù)主要有兩種：一種是基因表達順序分析法，即首先分離到細胞的信使RNA（mRNA），也就是正在發(fā)揮作用的基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，再逆轉(zhuǎn)錄成互補DNA（cDNA），經(jīng)標記和酶切，再用聚合酶鏈反應主（PCR）復制擴增，通過對這些基因片段的序列分析來研究基因的活動規(guī)律。另一種技術(shù)是顯微排陣法，主要是利用標記cDNA和mRNA的雜交在一種顯微體系中進行排列，使其可以在較大規(guī)模上來研究基因表達的模式和規(guī)律。這兩種技術(shù)都可以用于檢測在不同條件下

32、的基因表達情況。然而，細胞內(nèi)mRNA的信息還不能代表基因產(chǎn)物最終功能形成蛋白質(zhì)的信息，mRNA的豐度并不一定與最終表達產(chǎn)物蛋白質(zhì)有直接關(guān)系，更何況許多功能蛋白還有翻譯后修飾和加工，包括蛋白質(zhì)剪接，所以最終還是要用蛋白質(zhì)研究來補充核酸分析數(shù)據(jù)。相對于基因組研究的進展速度，蛋白質(zhì)組的研究顯得相對滯后，主要原因是研究手段中多技術(shù)問題尚未很好解決。分析全部10萬個基因的功能，最直接的是蛋白質(zhì)組研究。而從這幾年中對基因組全序列分析已經(jīng)完成的一些低等生物蛋白質(zhì)組的研究看來，目前最現(xiàn)實、最有效的技術(shù)是雙向凝膠電泳分離純化蛋白質(zhì)，結(jié)合計算機定量分析圖譜進一步用質(zhì)譜對分離到的蛋白質(zhì)進行鑒定，并運用現(xiàn)代生物信息學

33、的知識和技術(shù)對所得到的天文數(shù)字的數(shù)據(jù)進行處理，對蛋白質(zhì)組的研究可分為兩個階段：第一階段，建立一個細胞或一個組織或一個機體在“正常”條件下的蛋白質(zhì)二維凝膠圖譜，或稱參考圖譜，即所謂“組成蛋白質(zhì)組”。第二階段，則要研究在各種條件下的蛋白質(zhì)組的變化，從中總結(jié)出生命活動的規(guī)律，可以稱為“功能蛋白質(zhì)組”。目前，分子生態(tài)學主要的技術(shù)手段是VNTR技術(shù)，其次是PCR技術(shù)，核酸測序和序列分析技術(shù)正在迅速發(fā)展，等位酶技術(shù)所占的比重較小。雖然基因組測序研究已經(jīng)取得了突破性進展，但成功破譯基因組序列的物種或種群仍寥寥無幾，生物與環(huán)境相互作用的分子機制研究期待著對每一個物種及種群基因組序列的了解，顯然，這還要經(jīng)歷生個較長的發(fā)展歷程。蛋白質(zhì)組測序的開展使分子生態(tài)學研究又展現(xiàn)出新的曙光，使得人們能夠更容易的在微觀的、更真實直接的水平上了解生物與環(huán)境之間的